滤波电容阻抗随频率变化特性的分析

高速电路设计需要考虑高频和低频两种噪声,针对这两种噪声,应选取不同的滤波电容 。“低频噪声选用大电容,高频噪声选用小电容”,这是许多工程师达成的共识 。
在实际工作中,这种说法并不完全正确 。我们将就这点进行一些探讨,以便加深对电容选型的理解 。
【滤波电容阻抗随频率变化特性的分析】对电容器件而言,由于电容分量的存在,电容器件的阻抗随着频率的升高而逐渐降低,这是电容器件的本体属性;ESL分量则使阻抗随着频率的升高而逐渐增加 。这两种作用正好相反 。在电容分量和ESL分量的共同作用下,电容器件的整体阻抗表现为,随着频率的升高,首先是电容分量起主导作用,使阻抗逐步变小,器件表现为电容的阻抗特性,滤波效果渐强;
当达到某一频点时发生谐振,此时电容分量和ESL分量对阻抗的效果正好抵消,在谐振点上,电容器件阻抗最小,等于ESR分量;此后,随着频率继续升高,ESL分量起主导作用,使阻抗逐步增大,器件表现为电感的阻抗特性,滤波效果渐弱 。
滤波电容的作用机制是为噪声等干扰提供一条低阻抗回路,在噪声频率点上,要求滤波电容的阻抗较小,即当噪声频率落在谐振点附近时,滤波效果最好 。如图2.12所示,谐振点由两条曲线交会而成,左边的曲线取决于电容器件的容值C,右边的曲线取决于电容器件的ESL 。由谐振频率公式: F=(ESLXC)知,C和ESL越大,则谐振频率越低,即电容对高频干扰的滤波效果越差;C和ESL越小,谐振频率越高,越适于滤除高频干扰 。
高速设计中,噪声等干扰往往不是处在一个频率点上,而是占据一段频带 。在实际工作中,期望电路上每一处的噪声频带都得到准确定位并不现实,这就要求设计者在电路设计中,利用多种不同的电容构造一个比较宽的低阻抗频带,以尽可能地覆盖噪声频带 。如图2.13所示,用三种电容并联,其效果是构成一段比较宽的低阻抗频带 。